基于MSP430的無線傳感器節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)功率管理研究
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理想狀態(tài)下，傳感器節(jié)點(diǎn)在完成任務(wù)后迅速進(jìn)入睡眠狀態(tài)并在下一事件到達(dá)時(shí)迅速進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)，能最大程度地節(jié)省能耗，根據(jù)式(1)可得門限時(shí)間：
但事實(shí)上，節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換也存在較大的能量消耗和延遲。因此，在進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)首先在寄存器上保存之前的數(shù)據(jù)和參數(shù)。同時(shí)，激活節(jié)點(diǎn)仍然需要大量的能耗和額外的時(shí)間，低功耗模式下消耗的能量越少，轉(zhuǎn)換到活動(dòng)模式時(shí)帶來的延遲就越大，所以，應(yīng)考慮到狀態(tài)轉(zhuǎn)換額外的能耗Padd。當(dāng)且僅當(dāng)Esave,k>Padd時(shí)，系統(tǒng)才有意義，因此，可以得出門限時(shí)間：
Tth,k代表傳感器節(jié)點(diǎn)的門限時(shí)間。在節(jié)點(diǎn)的非完全關(guān)閉狀態(tài)，事件到達(dá)，系統(tǒng)可以自動(dòng)轉(zhuǎn)入激活的工作狀態(tài)，對于完全關(guān)閉的狀態(tài)S4，由于節(jié)點(diǎn)的大部分元件都處于關(guān)閉狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)無法檢測到事件和收到信息，所以一些事件將會丟失，根據(jù)剩余能量，得出S4的門限時(shí)間為：
式中：Vstd代表標(biāo)準(zhǔn)工作電壓，Vpre代表當(dāng)前電壓。
3 DPM算法
文獻(xiàn)中提出了基于概率判別無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)功率管理。此方法對于是否進(jìn)入完全關(guān)閉的狀態(tài)S4，給出一個(gè)概率值，利用概率判別來進(jìn)行有效的功率狀態(tài)轉(zhuǎn)換，如果概率值偏大，則進(jìn)入完全休眠狀態(tài)的機(jī)率增大，能量消耗減少，但事件丟失的可能性增加；否則，使用能量增多，事件丟失的可能性減小。文獻(xiàn)提出了一種利用小波和卡爾曼濾波和自回歸分析聯(lián)合預(yù)測下一事件發(fā)生的時(shí)間來決定進(jìn)入何種功率狀態(tài)的方法。該方法根據(jù)歷史事件的到達(dá)時(shí)間來預(yù)測下一事件的發(fā)生的時(shí)間。在森林火警監(jiān)視、洪水監(jiān)測等特殊事件發(fā)生概率很小。歷史數(shù)據(jù)無法獲得的應(yīng)用領(lǐng)域。文獻(xiàn)提出了一種利用小波和自回歸的動(dòng)態(tài)功率管理方法。該方法利用收發(fā)器(Sink)節(jié)點(diǎn)上的歷史數(shù)據(jù)流預(yù)測未來的值，在后續(xù)周期內(nèi)，若傳感器節(jié)點(diǎn)的觀測值不超過給定閾值則不向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，Sink節(jié)點(diǎn)將預(yù)測值作為觀測結(jié)果，通過減少傳感器節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間，降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量來減少傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體能量消耗。由于無線通信占整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的主要部分，所以在不影響系統(tǒng)性能的前提下，有效地對無線收發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行管理可以高效地降低系統(tǒng)能耗?；旌献詣?dòng)控制(Hybrid Automata)是根據(jù)傳感器檢測信息的變化情況來控制傳感器節(jié)點(diǎn)收發(fā)的頻率，通過增加休眠時(shí)間、降低收發(fā)次數(shù)對無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)功率管理，從而降低系統(tǒng)功耗。
4 混合自動(dòng)控制
4．1 混合自動(dòng)控制原理
在混合自動(dòng)控制條件下，系統(tǒng)分為幾個(gè)離散的狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)都有一定的保持條件、相應(yīng)的控制變量、初始值和向其他狀態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界值。當(dāng)環(huán)境變量改變或保持不變時(shí)，通過對形勢加以分析(反饋)來執(zhí)行在不同狀態(tài)模式之間的轉(zhuǎn)換。圖3為混合自動(dòng)控制示意圖。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/163045.htm
假如系統(tǒng)存在兩種狀態(tài)l1和l2，一個(gè)動(dòng)態(tài)變量x，系統(tǒng)開始的狀態(tài)為l1，x的初始值為20，在狀態(tài)l1下，變量x隨著等式
不斷增大，當(dāng)x的值等于30時(shí)，就達(dá)到了臨界條件，
時(shí)，迅速地進(jìn)入狀態(tài)l2。在狀態(tài)l2，x隨等式x=x-0．5遞減，臨界條件是x=25，當(dāng)x25發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)入狀態(tài)l1。在實(shí)際運(yùn)用中，此示意圖可以理解為傾斜角度控制在25°～31°之間。
4．2 混合自動(dòng)控制算法在無線傳感器節(jié)點(diǎn)上的實(shí)現(xiàn)
由于對運(yùn)動(dòng)中物體的傾角測量在交通、航天、軍事等領(lǐng)域有著重要的意義，這里采用加速度傳感器對傾斜角進(jìn)行測量，介紹混合自動(dòng)控制算法的應(yīng)用?；舅悸罚簾o線傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)環(huán)境變量的連續(xù)性變化，對傳感器執(zhí)行離散的處理應(yīng)用，當(dāng)環(huán)境參數(shù)改變(增加或減小)時(shí)，傳感器的狀態(tài)變量相應(yīng)改變，當(dāng)改變到臨界點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一功率狀態(tài)。首先對系統(tǒng)作如下要求：變量x表示所測量的傾斜角度值，最高為30°，最低為8°，它代表環(huán)境參數(shù)的改變，是各狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的主要因素；變量z為計(jì)時(shí)器，用于狀態(tài)的計(jì)時(shí)。為了簡化控制過程，把系統(tǒng)分為三個(gè)狀態(tài)，l1為睡眠狀態(tài)，此時(shí)傳感器模塊和無線收發(fā)器都處于不活動(dòng)狀態(tài)，控制系統(tǒng)保持l1狀態(tài)為60 s。其不等式條件為z≤ 60，當(dāng)z>60時(shí)，轉(zhuǎn)入狀態(tài)l2。狀態(tài)l2和l3表示不同的采集和無線傳輸頻率的活動(dòng)狀態(tài)，狀態(tài)l2下的采集和無線傳輸頻率低于l3，此時(shí)每間隔10 s發(fā)送一次采集的傾斜角度數(shù)據(jù)，在發(fā)送完之后，無線收發(fā)器和傳感器進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)等待下一個(gè)周期的到來。運(yùn)行過程中，當(dāng)傾斜角的變化在O．5°～5°之間(O．5≤|x-xold|≤5)且傾斜角度不超過30°(x≤30°)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)l2；當(dāng)傾斜角度變化大于5°(|x-xold|>5)或x>30°時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)l3運(yùn)行；當(dāng)傾斜角度變化小于0．5°(|x-xold|0．5)且x≤30°時(shí)，節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)l1。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。
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